某地鐵二號(hào)線車輛供風(fēng)單元替代性研究*

徐 帥，趙建飛，王 鑫，田 鐸

(1.克諾爾車輛設(shè)備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215151；2.沈陽地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，遼寧 沈陽 110011)

0 引 言

在地鐵車輛中，供風(fēng)單元(ASU)為車輛的制動(dòng)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的壓縮空氣，除制動(dòng)系統(tǒng)外還為車輛的空氣簧、汽笛、升弓裝置等設(shè)備提供氣源，供風(fēng)單元的可靠性直接影響著車輛的安全運(yùn)行。

通常供風(fēng)單元主要包含空壓機(jī)組、干燥器、油濾器以及安全閥等裝置，目前，城軌車輛中市場中較為常見的空壓機(jī)組主要有兩中類型，即活塞式空壓機(jī)和螺桿式空壓機(jī)，活塞式空壓機(jī)較為常見的是克諾爾公司的VV120型空壓機(jī)組，其性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)維護(hù)內(nèi)容較少，螺桿式空壓機(jī)排量相對(duì)較大，噪音和振動(dòng)性能占有一定的優(yōu)勢。

某城市地鐵二號(hào)線項(xiàng)目空壓機(jī)組故障率偏高，維護(hù)內(nèi)容較多且維護(hù)的成本偏高，為了降低空壓機(jī)故障率和檢修維護(hù)成本，減少車輛維修停時(shí)和提高車輛可用性，對(duì)二號(hào)線既有的供風(fēng)單元進(jìn)行了替代性研究和相關(guān)的驗(yàn)證工作，同時(shí)，為其他地鐵車輛供風(fēng)單元的升級(jí)改造提供一定的參考。

1 既有供風(fēng)單元配置與現(xiàn)狀

某地鐵二號(hào)線于2011年底開通運(yùn)營，采用6 輛編組B型地鐵車輛，最高運(yùn)行速度 80 km/h，每列車設(shè)置2臺(tái)供風(fēng)單元，既有供風(fēng)單元采用某公司的螺桿式空氣壓縮機(jī)組，由三相AC380V交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，供風(fēng)單元主要部件構(gòu)成有螺桿式壓縮機(jī)組、啟動(dòng)裝置、冷卻器、干燥器、濾清器、安全閥、壓力開關(guān)等。

兩端的Tc車輛配置了啟動(dòng)裝置，其中包含接觸器、繼電器、壓力開關(guān)等設(shè)備，并采用硬線的方式控制空壓機(jī)的啟停，在列車正常運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)空壓機(jī)分別控制，1臺(tái)(列車運(yùn)行方向前方的空氣壓縮機(jī))正常起動(dòng)，另1臺(tái)將作為備用空壓機(jī)?？傦L(fēng)的正常工作壓力范圍為7.50～9.00 bar，當(dāng)總風(fēng)空氣壓力降到低于7.50 bar時(shí)，主空壓機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)總風(fēng)壓力低于6.80 bar時(shí)，輔助空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)總風(fēng)壓力低于6.00 bar時(shí)，列車自動(dòng)采取措施保障列車運(yùn)行安全。

2 新供風(fēng)單元的設(shè)計(jì)

2.1 空壓機(jī)組的選型

經(jīng)過技術(shù)參數(shù)的對(duì)比，以及車輛的相關(guān)技術(shù)要求，計(jì)劃為此項(xiàng)目選擇成熟應(yīng)用的VV120型空壓機(jī)組，每列車設(shè)兩臺(tái)ASU(Air Supply Unit供風(fēng)單元)，每臺(tái)ASU主要包括VV120型活塞式空氣壓縮機(jī)組、LTZ015.0H 型雙塔空氣干燥器和OEF1型精細(xì)油濾器等，設(shè)備同時(shí)安裝在一個(gè)共用框架以便于安裝和維護(hù)，對(duì)風(fēng)源的機(jī)械接口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)車的接口需求，VV120空壓機(jī)組技術(shù)參數(shù)見表1所列。

表1 VV120空壓機(jī)組技術(shù)參數(shù)

2.2 負(fù)荷率與充風(fēng)時(shí)間校核計(jì)算

基于車輛已有的配置，如固定的風(fēng)缸容積、空氣簧及附加氣室容積、平均旅行速度、制動(dòng)力大小等，對(duì)選擇的ASU進(jìn)行耗風(fēng)量計(jì)算，通過理論計(jì)算可知，初充風(fēng)時(shí)間約為14.2 min，總風(fēng)壓力隨空壓機(jī)工作的變化過程見圖1所示。

圖1 初充風(fēng)時(shí)間理論計(jì)算

空壓機(jī)理論計(jì)算的最大負(fù)荷率為79.5%，最小負(fù)荷率為42.8%，當(dāng)1臺(tái)空壓機(jī)組故障時(shí)，另1臺(tái)空壓機(jī)組可以滿足車輛的用風(fēng)需求[1]，同時(shí)，1臺(tái)空壓機(jī)的負(fù)荷率不低于30%，空壓機(jī)負(fù)荷率的理論計(jì)算結(jié)果見表2所列。

表2 空壓機(jī)相對(duì)負(fù)荷率理論計(jì)算

2.3 啟動(dòng)裝置電氣改造與功能調(diào)整

由于VV120空壓機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部采用飛濺式潤滑，雙塔式干燥塔具備自動(dòng)的加熱功能，針對(duì)原空壓機(jī)組的控制功能及電氣原理進(jìn)行了調(diào)整，保持不變的功能/裝置有：①空壓機(jī)啟動(dòng)裝置，以及相應(yīng)的設(shè)備與設(shè)定值；②空壓機(jī)管理邏輯；③強(qiáng)迫泵風(fēng)功能。取消的功能及相應(yīng)的部件有：①油溫的高低溫保護(hù)功能及相應(yīng)的報(bào)警信息；②防備壓啟動(dòng)功能。

空壓機(jī)管理將保持原有的車輛邏輯與配置不變，為了最大程度的減小車輛的變動(dòng)，將保留啟動(dòng)裝置中的硬件，但對(duì)接線進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，電氣改造原理圖見圖2所示，具體為：①保留IX1中的觸點(diǎn)/接線1、2、3，其將作為新空壓機(jī)組380 V的供電，保留IX2中的觸點(diǎn)/接線1、2、3，其將分別作為110V控制電路的供電及啟動(dòng)信號(hào)；②刪除IX2的針腳4，IX3的針腳5、6、7、8、9，IX4的針腳1、2；③特殊處理的接線為繼電器KA6的13、14觸點(diǎn)，將其調(diào)整為常閉觸點(diǎn)，同時(shí)，溫度異常報(bào)警信號(hào)失效。

圖2 啟動(dòng)裝置電氣改造

3 試驗(yàn)與跟蹤測試

為保證車輛的供風(fēng)性能滿足要求，在供風(fēng)單元裝車前后進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，圖3所示為裝車后的供風(fēng)單元。試驗(yàn)主要包含三個(gè)部分：供風(fēng)單元的功能試驗(yàn)、靜態(tài)調(diào)試試驗(yàn)、正線驗(yàn)證試驗(yàn)等。

圖3 VV120供風(fēng)單元裝車

3.1 供風(fēng)單元功能試驗(yàn)

該試驗(yàn)為空壓機(jī)組出廠時(shí)的測試，測試時(shí)間不小于1 h，測試項(xiàng)點(diǎn)包含：軸速、排氣量、泄漏、壓力等，經(jīng)過測試供風(fēng)單元性能符合要求[2]，主要的測試結(jié)果見表3所列。

表3 功能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 靜態(tài)調(diào)試試驗(yàn)

供風(fēng)單元裝車后，在車輛靜態(tài)條件下檢查供風(fēng)單元的各個(gè)部件和系統(tǒng)功能，主要包含空壓機(jī)安裝和接線檢查、零部件狀態(tài)檢測、啟動(dòng)測試、干燥塔切換周期測試、安全閥功能測試、空壓機(jī)管理測試、初充風(fēng)試驗(yàn)、強(qiáng)迫泵風(fēng)試驗(yàn)等[3]。

3.2.1 列車初充風(fēng)時(shí)間試驗(yàn)

排盡所有風(fēng)缸和連接管路的余風(fēng)(含空氣彈簧)，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)并記錄總風(fēng)壓力的上升時(shí)間，總風(fēng)缸壓力由0 bar升到9.0 bar的時(shí)間為14 min 7 s，小于15 min，測試結(jié)果合格。

3.2.2 空壓機(jī)管理與強(qiáng)迫泵風(fēng)測試

試驗(yàn)前確認(rèn)供風(fēng)單元的全部設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，連接管路的氣密性符合要求，緩慢開啟總風(fēng)缸的排水塞門，記錄主空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)及停機(jī)時(shí)的總風(fēng)壓力，切斷主空壓機(jī)電源，用上述方法排放總風(fēng)缸的壓縮空氣，記錄備用空壓機(jī)啟動(dòng)及停機(jī)時(shí)的主風(fēng)壓力，切換主/備用空壓機(jī)后重復(fù)上述操作。

主空壓機(jī)啟動(dòng)壓力應(yīng)為7.50±0.20 bar，停機(jī)壓力應(yīng)為9.0±0.20 bar；備用空壓機(jī)啟動(dòng)壓力應(yīng)為6.80±0.20 bar，停機(jī)壓力應(yīng)為9.00±0.20 bar，測試結(jié)果見表2所示?？諌簷C(jī)狀態(tài)正常時(shí)，手動(dòng)按下強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕使空壓機(jī)強(qiáng)制打風(fēng)，兩端空壓機(jī)啟動(dòng)正常。

表4 空壓機(jī)啟停管理測試結(jié)果

3.2.3 干燥塔切換周期測試

空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)切換狀態(tài)與聲音判斷干燥塔是否按照周期正常的進(jìn)行切換，空氣干燥器的電磁閥以60±10 s間隔得電或失電，測試結(jié)果合格。

3.3 空壓機(jī)負(fù)荷率及正線跟蹤測試

車輛正線運(yùn)行并在回庫后記錄正線運(yùn)營時(shí)長和空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，基于負(fù)荷率計(jì)算公式D=t_on/(t_on+t_off)計(jì)算空壓機(jī)的負(fù)荷率，當(dāng)負(fù)荷率高于30%時(shí)可有效降低潤滑油乳化的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)3個(gè)月的抽樣測試結(jié)果，空壓機(jī)負(fù)荷率不低于30%，表5所列為負(fù)荷率抽樣測量和計(jì)算結(jié)果，由于試驗(yàn)期階段載客量較小，負(fù)荷率可能與正式運(yùn)營后有所差異。

同時(shí)，經(jīng)過3個(gè)月5 000 km的正線空載運(yùn)行，以及3個(gè)月30 000 km的正線載客運(yùn)營，空壓機(jī)功能狀態(tài)正常，性能穩(wěn)定。

表5 負(fù)荷率測試(抽樣)

3.4 全壽命周期維護(hù)

供風(fēng)單元日常維護(hù)內(nèi)容、周期，以及大修維護(hù)的周期是供風(fēng)單元全壽命周期成本的重要組成，VV120供風(fēng)單元的主要維護(hù)內(nèi)容有：空氣濾清器濾芯的更換(1年/次)、精細(xì)濾油器濾芯的更換(2年/次)、潤滑油的加注(1年/次)，大修周期最長可至8年或12 000工作小時(shí)。經(jīng)過對(duì)比供風(fēng)單元全壽命周期(30年)的維護(hù)費(fèi)用，將項(xiàng)目的供風(fēng)單元替換后維護(hù)成本可下降約65%。

4 結(jié) 語

此次替換采用廣泛應(yīng)用的克諾爾公司VV120型空氣壓縮機(jī)組，根據(jù)既有螺桿式空壓機(jī)的機(jī)械/電氣接口、維護(hù)空間等現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，對(duì)VV120型供風(fēng)單元的接口以及既有啟動(dòng)裝置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其接口和性能等滿足某地鐵二號(hào)線的運(yùn)營要求，同時(shí)保留原有的車輛啟動(dòng)控制裝置和設(shè)備，較少的變動(dòng)車輛零部件，實(shí)現(xiàn)1:1的替換。經(jīng)過一系列的試驗(yàn)和跟蹤測試，VV120型供風(fēng)單元功能正常，通過替代能夠有效降低空壓機(jī)故障率和檢修維護(hù)成本，減少車輛維修停時(shí)，提高車輛可用性。